化工合成氨系統火災爆炸危險性分析

張蓓 楊鳳平

(首都經濟貿易大學,北京 100070)

化工合成氨系統火災爆炸危險性分析

張蓓 楊鳳平

(首都經濟貿易大學,北京 100070)

通過對化工合成氨合成工藝過程的分析,得出一定的結論,此過程中通過對危險有害因素的辨識和分析, 運用定量的道化學公司火災、爆炸危險指數評價方法對某企業生產工藝過程進行評價,得到了火災爆炸指數、危險等級、危險暴露面積以及實際可能財產損失程度等參數;并在此基礎上提出了事故預防的安全技術對策措施,各單元的火災、爆炸指數的計算結果(Famp;EI)分別162,143,90,103,177,136,109,163,危險等級分別為極端,嚴重,較輕,中等,極端,嚴重,中等,極端。針對此次評價結果的危險等級,在化工合成氨生產中要實行有針對的安全防護,采取有重點的安全措施,使生產控制在安全的狀態。

化工合成氨 火災爆炸 危險性分析 道化學火災與爆炸分析法

隨著國民經濟的飛速發展，對合成氨產品的需求量與日俱增，因此伴隨著氨生產規模的不斷擴大，其生產過程中發生火災、爆炸、泄漏等事故的潛在風險也在日益增長[1]。以天然氣為原料的合成氨合成工藝，其生產工藝始終存在著高溫、高壓、易燃易爆等危險因素，火災、爆炸和重大設備事故的隱患客觀存在，一旦發生事故將會帶來巨大的人員傷亡、巨額的財產損失。本文化工合成氨風險評價是通過系統地分析合成氨系統生產過程、原料、中間物料存儲過程的危險有害因素，采用道化學火災、爆炸危險指數評價法則可通過風險的分析得到各種控制參數，以控制參數衡量危險發生的可能性及危害性，從而制定相應的安全措施，達到控制事故發生減少經濟損失的目的。

1 化工合成氨系統存在的危險因素

合成氨生產工藝主要包括：脫硫，轉化，變換，脫碳，甲烷化，合成，通過對合成氨的工藝流程進行分析了解其可能存在的危險，然后對一些典型事故的發生進行了原因的探究，又以一些氣體可能對人體的傷害具體為例闡述化工合成氨可能存在的風險。

(1)脫硫；硫是多種催化劑的毒物。因此，脫硫單元出口原料氣中總硫含量高，危害性是比較大的，所造成的損失也大。生產中要特別重視，采取防范措施。1991年某化肥廠，由于煉油廠供應的原料石腦油中混入了常壓塔常二線組分，石腦油出脫硫系統的含硫量超標，導致一段轉化催化劑發生硫中毒，并產生高級烴裂解結碳，損壞一段轉化催化劑。(2)轉化；在裝置中，轉化單元運行條件是比較苛刻的，各項工藝指標的控制也要求嚴格，是裝置中危險的部位。常見的故障：一段爐有催化劑中毒、結碳、粉碎，爐管超溫，壓差高等；二段爐有溫度高、催化劑損壞、出口甲烷高等；廢熱鍋爐有鍋爐爐管爆管等。轉化單元發生的事故中，以一段轉化爐發生的催化劑中毒，結碳事故造成的損失大、次數多。(3)變換；生產中，要將高溫、低溫變換爐人爐氣體中水蒸氣與一氧化碳的分子比(簡稱水氣比)，保持在一定范圍內，還要將反應溫度控制在最佳范圍內，以保證一氧化碳的變換率。(4)脫碳；脫碳單元由于采用的吸收液為堿性液，具有腐蝕性。因而存在設備腐蝕的危險，其中以再沸器受到的腐蝕最為嚴重。若吸收塔液位過低，工藝氣竄人再生塔，可造成再生塔超壓。如再生塔安全設施失靈，會導致發生重大爆炸、火災事故。雖然吸收塔液位的控制都設有自動調節、報警、聯鎖裝置，再生塔也設有爆破板，但生產中仍需重點防范。(5)甲烷化；甲烷化爐中進行的甲烷化反應是強放熱反應。超溫易損壞甲烷化催化劑。甲烷化單元存在危險因素主要是催化劑超溫和出口CO、CO2含量高。(6)合成；合成單元正常生產中主要操作參數有：溫度、壓力、循環氣流量、氫氮比、惰性氣含量、氨含量等。生產中不正常現象常見的有：系統壓力過高、催化劑床層溫度過低、合成塔壓差大、泄漏及合成塔內件損壞等。其中，以合成塔內件損壞造成的事故損失大，停車時間長。

2 進行危險性分析的方法介紹

2.1 道化學火災、爆炸危險指數評價法定義及適用范圍

道化學公司(DOW)火災、爆炸危險指數評價法[2]是已以往工藝過程中火災、爆炸潛在危險性為基礎，結合系統工藝過程中的物質、設備、數量等數據，通過逐步推算的公式，對實際潛在火災、爆炸危險、反應性危險進行評價，并計算經濟損失的大小，以經濟損失評價裝置的安全性。主要適用范圍：

(1)存儲、處理、生產易燃易爆、可燃、活性物質的操作過程；(2)污水處理設備(設施)、公用工程系統、發電設備、變壓器、熱氧化器等工藝單元。

2.2 道化學火災、爆炸指數評價法計算過程

A：確定工藝單元：

進行危險指數評價的第一步就是確定評價單元，單元是一個(套)生產裝置、設施或場所，或同屬一個工廠且邊緣距離小于500m的幾個(套)生產裝置等。

選擇工藝單元的幾項要點：(1)工藝單元的可燃，易燃或者化學活性物質的最低量為2268kg或者2.27m3；(2)當設備串聯布置且中間為相互有效隔開，應認真考慮單元劃分的合理性；(3)仔細考慮操作狀態和操作時間也很重要。

B：確定物質系數：

物質系數(MF)是表述由燃燒或化學反應引起的火災、爆炸過程中潛在能量釋放的尺度，是一個最基礎的數值[3]。物質系數是由美國消防協會確定的物質可燃性NF和化學活性NR求的。單一物質存在時其物質系數可由物質系數表查出。

當物質是混合時應該遵循以下原則[4]：(1)若單元中存在多種危險性的反應物和一種生成物的危險混合物時，由于發生化學反應的速度很快，反應物存在的時間足夠短，因此可把生成物的物質系數作為工藝單元的物質系數。(2)如果存在多種物質組成的混合物，當他們的含量基本相同但物質系數不同時，將其中物質系數最大的物質的濃度在5%以上(質量濃度)當做工藝單元的物質系數。(3)若幾種混合物中某種物質的濃度高，一旦發生泄露，引起火災、爆炸事故，工藝單元混合物的性質與高濃度物質的性質相似，這時用該高濃度物質的物質系數作為工藝單元的物質系數。

C：確定工藝危險系數：[5]

工藝單元危險系數(F3)=一般工藝危險系數(F1)×特殊工藝危險系數(F2)

表2-1 物質的MF值(部分)

(1)一般工藝危險系數F1：一般工藝危險系數F1是確定事故危險程度的主要因素，其中包括6項內容，分別為：放熱反應、吸熱反應、物料處理和輸送、封閉結構單元、通道、排放和泄露。(2)特殊工藝危險系數F2：特殊工藝危險系數是影響事故發生概率的主要原因，特定的工藝條件是導致火災、爆炸事故的主要原因。特殊工藝危險[6]共包括：A：毒性物質、B：負壓操作、C：燃燒范圍或其附近的操作、D：粉塵爆炸、E：釋放壓力、F：低溫、G：易燃和不穩定物質的數量、H：腐蝕、I：泄露、J：明火設備的使用、K：熱油交換系統、L：轉動設備。

D：確定火災爆炸指數：火災、爆炸危險指數是用來估計生產過程中的事故可能造成的破壞，已發展成為能夠給出單一工藝單元潛在火災、爆炸損失相對值的綜合指數。單元的火災、爆炸危險指數(Famp;EI)=物質系數(MF)×單元危險系數(F3)。

表2-2 火災、爆炸危險指數等級表

表3-1 危險源的辨識情況

3 實例驗證

某化肥廠合成氨部分為實例，其危險源的辨識情況如表3-1。

各單元的火災、爆炸指數的計算結果(Famp;EI)分別為162，143，90，103，177，136，109，163，危險等級分別為極端，嚴重，較輕，中等，極端，嚴重，中等，極端，因此在進行生產過程中要對煤氣化工藝，合成冷凍氮回收工序，液氮罐進行重點的監控，因為他們很容易造成特別重大的事故，暴露半徑的偏大使周圍的設備及人員處于極具危險的狀態，同時危險等級為嚴重的也要進行特別的監控，防止其發生事故對人造成傷害，針對此次評價結果的危險等級，在化工合成氨生產中要實行有針對的安全防護，采取有重點的安全措施，使生產控制在安全的狀態。

4 結語

利用火災、爆炸危險指數評價法對化工合成氨系統進行了危險性分析，從一般工藝危險性和復雜性、特殊工藝的危險性和復雜性和安全補償措施等方面做出評價，使得能夠從工藝控制、物質分離、防火措施等方面采取一定的預防對策，但是這種評價方法仍有一定的缺陷，即：道化學公司火災爆炸危險指數評價法，主要考慮了單元內工藝裝置，過程及所含物料的危險性，而對其周邊環境及人員管理和組織考慮較少。在實際管理中，除了要落實上述措施外，還應運用其他的安全評價方法進行輔助評價，進一步提高系統安全性，從而達到整體的安全狀態。同時就從我國合成氨裝置引進的情況來看，偏重于工藝技術的引進而對于其配套的安全技術卻是一直缺失的。就我國現在的情況而言，合成氨裝置的安全措施與國際化工安全規范技術要求還有一定的差距，今后應加強這方面的建設。

[1]王洪麗.合成氨項目環境風險評價研究—以貴州開陽合成氨廠為例[D].北京化工大學,2009.

[2]MARC.Environmental Impact Assessment Operational Cost Benefit Analysis[M].987,5(42):56-59.

[3]徐榮.400噸/年磷酸酯阻燃劑擴建項目安全評價研究[D].華東理工大學,2004.

[4]百度文庫,http://wenku.baidu.com/view/e05d768884868762caaed520.html,2010.

[5]鄭亮.火災爆炸危險指數評價法在催化裂化裝置中的安全運用[J].中國安全生產科學技術,2012.06:90-93.

[6]劉新民.氫氧火箭發動機試驗臺安全評價技術研究[J].中國職業安全健康協會2005年學術年會.